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질화붕소(Hexagonal boron nitride·hBN)는 그래핀과 같은 육각형 원자 구조로 탄소 대신 붕소와 질소로 이뤄진 판상 구조를 갖는 소재다.
이 연구 성과는 세계 최고 수준의 국제학술지 사이언스(Science) 11월 16일 자에 게재됐다.
2차원 물질들은 전기적인 특성, 유연성, 투명성이 우수해 차세대 전자 소자의 핵심 소재로 꼽힌다. 또 기체를 투과시키지 않아 소자의 보호 장벽으로 활용 가능성이 높다. 그 중 질화붕소는 2차원 물질 중에서 유일하게 절연 특성이 있어 투명한 유연 전자소자의 절연층으로 주목받고 있다.
연구팀은 액상 금 표면 위에서 질화붕소의 결정립이 동일한 방향으로 형성되는 ‘자가 줄맞춤’ 현상을 이용해 단결정 질화붕소 박막을 합성했다. 이 방법은 박막의 크기에 구애받지 않고 원하는 크기의 단결정 형태를 합성할 수 있다. 자기 줄맞춤(self-collimation)이란 액상의 금 표면에서 질화붕소 결정립이 형성되면 질소와 붕소원자들이 전기적인 상호 인력을 일으켜 서로 밀어내거나 당기면서 적정 거리를 유지하는 현상을 말한다.
매끄러운 액체 상태의 금 표면 위에서 질화붕소의 원료 물질을 쉽게 흡착?이동시켜 크기가 균일한 원형의 질화붕소 결정립을 합성했다. 각각의 질화붕소 결정립이 임의로 이동하다가 결정립의 가장자리에 있는 질소와 붕소 사이에서 전기적인 상호 인력이 유도되고 그 결과 결정립이 스스로 줄 맞춰 배열되는 현상을 이용한 것이다.
이번 연구결과는 세계 최초로 이종 원소로 구성된 2차원 소재를 대면적 단결정으로 합성할 수 있는 원천기술 개발한 것일 뿐만 아니라 다양한 2차원 소재의 이종 적층구조를 대면적 단결정으로 성장할 수 있는 새로운 연구 패러다임을 제시한 것으로 평가받고 있다. 이를 바탕으로 차세대 투명 유연 전자 소자 및 가스 배리어, 센서, 필터 등의 개발에 큰 혁신을 줄 것으로 기대된다.
김수민 박사는 “이 연구는 그래핀을 포함해 두 가지 원소로 구성된 단결정 2차원 물질을 합성하는 새로운 방법을 제안함으로써 다양한 2차원 이종 적층구조 개발의 새로운 장을 열었다”고 연구 의의를 밝혔다.
이 연구 성과는 과학기술정보통신부 기초연구지원사업(개인연구), 기초과학연구원, 한국과학기술연구원 기관고유사업의 지원으로 수행됐다.